第六章半导体存储器解析

《数字电子技术》6-2只读存储器(ROM)6-3随即存储器(RAM)6-1概述第6章半导体存储器第6章半导体存储器主要内容存储器的分类及特点RAM的电路结构及工作原理ROM的电路结构及工作原理ROM、RAM常见芯片及容量扩展本章内容的特点：了解性的内容多、具有一般常识性，重点在于应用（容量扩展）6.1概述一、半导体存储器的分类按制造工艺分类双极型存储器MOS(单极型）存储器工作速度快、功耗大工艺简单、集成度高、功耗低按存取方式分类掩模只读存储器只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器（ROM）（PROM）（EPROM）（EEPROM）快闪存储器（FLASH）动态随机存储器（DRAM）静态随机存储器（SRAM）只读存储器ROM分类ROM掩膜ROM内容只能读出，不能改变.半导体厂家用掩膜技术写入程序成本低，适用于批量生产不适用研究工作PROM可编程ROM内容只能读出，不能改变.用户使用特殊方法进行编程，只能写一次，一次编程不能修改。适用于批量生产不适用研究工作EPROM光可擦除PROM固化程序用紫外线光照5～15分钟擦除，擦除后可以重新固化新的程序和数据。用户可以对芯片进行多次编程和擦除。适用于研究工作不适用于批量生产。E2PROM电可擦除PROM实现全片和字节擦写改写，作为非易失性RAM使用。集成度和速度不及EPROM，价格高，擦写在原系统中在线进行。FlashMemory快速电擦写存储器可以整体电擦除（时间1S）和按字节重新高速编程。CMOS低功耗；编程快（每个字节编程100μs整个芯片0.5s）；擦写次数多（通常可达到10万）与E2PROM比较：容量大、价格低、可靠性高等优势。用于PC机内装操作系统和系统不能丢失初始功能的专门领域。需要周期性地修改被存储的数据表的场合。内存细分信息存取方式特点用途计算机系统中，一个二进制的取值单位称为二进制位，简称“位”，用b表示（bit的缩写），是表示信息的最小单位。二、计算机中信息的表示方法1.信息单位计算机系统中，对信息表示的单位有位、字节、字、字长等，它们是用来表示信息的量的大小以及信息存储传输方式的基本概念。（1）位通常将8个二进制位称为一个字节，简称B（Byte的缩写），是表示的基本单元。（2）字节1KB＝210B＝1024B1MB＝220B=1024KB1GB=230B＝1024MB1TB=240B＝1024MB计算机在执行存储、传送等操作时，作为一个整体单位进行操作的一组二进制，称为一个计算机字，简称字。（3）字（4）字长每个字所包含的位数称为字长。一般计算机的字长越大，其性能越高。内存储器是数据和代码的临时存放设备。2.内存储器（主存储器）内存储器可分为RAM（RandomAccessMemory，随机存储器）和ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）。目前，内存储器一般为半导体存储器。RAM的特点：是可读可写，但关机后存储的信息将自动消失。（1）随机存储器RAMRAM分为：动态存储器DRAM和静态存储器SRAM◆动态存储器DRAMDRAM主要用于主存储器（俗称内存条）的制造。◆静态存储器SRAMSRAM主要用于高速缓存，其存取速度比DRAM分快得多。它存储的信息一般由厂商在制造时写入的。只能读出信息而不能修改，其所存信息在断电后仍能保持。（2）只读存储器ROM特点：外存储器与内存储器相比，存储容量大，可靠性高，价格低，在脱机情况下可永久保存信息。3.外存储器主要有：软盘存储器、硬盘、光盘等。但速度较内存储器慢得多，它属外部设备。三、存储器的技术指标是指存储器存放数据的多少，即存储单元的总数存储容量＝N（字数）×Ｍ（位数）存储器的字数通常采用K、M、G为单位存储容量也可以用如下的几种形式表示：1K＝210＝10241Ｍ=220＝1024×1024=1024K1G＝230＝1024M256×81K×41Ｍ×1存储容量：三、存储器的技术指标存储容量＝N（字数）×Ｍ（位数）存储容量：存取周期：指两次连续读取（或写入）数据之间的间隔时间间隔时间越短，说明存储周期越短，工作速度越高。例如，一个328的ROM，表示它有32个字，字长为8位，存储容量是328=256。6.2只读存储器只读存储器（ROM），它存储的信息是固定不变的。工作时，只能读出信息，不能随时写入信息。ROM功能存放固定信息•程序，常数，指令，......ROM的优点信息非“易失”(Nonvolatile)简单，容量大一、掩膜只读存储器ROM1.ROM结构ROM的电路结构图2.ROM的工作原理001100011100导通导通100WWD311WWD3202313WWD存储矩阵是一个“或”逻辑阵列100WWD311WWD3202313WWDW3=A1A0m3m2W2=A1A0m1W1=A1A0m0W0=A1A0A0A1地址译码器D3D2D1D0有二极管无二极管3.ROM的阵列图地址译码：与阵列A0A1W0W1W2W3A0_A0A1_A1A0A1W3A0A0A1A1W3ROM字数很大时，译码系统很复杂。字数较大，采用多级译码字数很少，一级译码存储电路或阵列可以画为：W0W1W2W3B0B1B2B3W0W1W2W3B0+W0W2B0++PROM——与阵列固定、或阵列可编程W0W1W2W3A0A1++++Y0Y1Y2Y3固定连接可编程连接不连接8x4ROMA0A1A2F0F1F2F3与阵列不可编程或阵列可编程8个存储单元，每个单元存储4位二进制数码。TTL-ROM结构图MOS-ROM结构图PROM出厂时，全部熔丝都连通，全部存储单元相当于存储1。用户在编程时，可根据要求，借助编程工具将需要存储0单元的熔丝烧断即可。熔丝烧断后不可恢复，故PROM只能进行一次性编程。二极管ROMTTL-ROMMOS-ROMWiDjWiDjVCCWiDj+VDD1熔丝熔丝熔丝二、可编程只读存储器(PROM)用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝。用紫外线擦除信息的，称为EPROM。用电信号擦除信息的，称为EEPROM，即E2PROM。按擦除方式不同分EPROM只能整体擦除，擦除时间较长。E2PROM中的存储单元可逐个擦除逐个改写，它的编程和擦除都用电信号完成，速度比EPROM快得多。三、可擦除可编程只读存储器(EPROM)EPROM集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。五、ROM的应用1、位扩展用4片328ROM扩展成3232ROM。【例】位扩展（即字长扩展）：将多片存储器经适当的连接，组成位数增多、字数不变的存储器。方法：用同一地址信号控制n个相同字数的ROM。将4块32×8的ROM的所有地址线和CS（片选线）分别对应并接在一起，而每一片的位输出作为整个ROM输出的一位。1、位扩展用4片328ROM扩展成3232ROM。【例】即：将所有地址线和CS（片选线）分别对应并接在一起2、字扩展用256片(512x8)ROM芯片扩展成128Kx8ROM512x8ROM512x8ROM512x8ROM512x8ROM............16片16片4-164-16译码列选择行选择__CE0__CE1【例1】【例1】用EPROM实现组合逻辑函数的点阵图如下图。（1）写出函数Y1、Y2的逻辑表达式。（2）说明器件的特点和点阵存储容量大小。3、用存储器实现组合逻辑函数［解］（1）逻辑函数Y1、Y2由EPROM矩阵实现。ABCCBABCAYCABCBACBACBAY21（2）EPROM为大规模集成电路，用户可根据需要反复改写存储单元的内容，因此可以实现任何复杂的组合逻辑函数。存储容量为6×8＋2×8＝64（个存储单元）根据EPROM的结构特点，与阵列为固定结构，或阵列为可编程结构。【例3】如图所示为多输出函数F1、F2、F3、F4的ROM点阵图，写出F1、F2、F3、F4对输入变量A、B、C的逻辑表达式。［解］CBACBABCACBACBACBAFCABBCACBACBAFABCCBABCACBAFABCCBACBACBAF4321［设计题1］已知函数F1、F2、F3、F4：DBCACAABCDFABCDCACDACBAABCDFDCBADBCDAABCDFBCDDCADBBAABCDF)()()()(4321试用EPROM实现上述函数，画出相应的点阵图。【解】（1）由本题给定的条件，可知输入变量数为A、B、C、D，（4个）输出为F1、F2、F3、F4（4个）。用EPROM实现逻辑函数时，一般步骤为如下：（1）确定输入变量数和输出端个数；（2）将函数化为最小项之和的形式；（3）确定EPROM的容量；（4）确定各存储单元的内容；（5）画出相应的点阵图。（4）画出点阵图（2）利用卡诺图将函数F1～F4写成最小项之和的形式，得：F1＝∑（0，1，2，3，7，8，9，10，13，15）F2＝∑（0，2，4，6，9，14）F3＝∑（3，4，5，7，9，13，14，15）F4＝∑（0，1，2，3，4，6，7，8，9，10，11，12，13，14）（3）矩阵的容量8×16＋4×16＝192【例2】试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数Y1=DCB+DCBY2=DCBA+CBA+DCBAY3=DCBA+DCBAY4=DCBA+DCBA解：将原式化为最小项之和的形式Y1=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m2+m3+m6+m7Y2=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m6+m7+m10+m14Y3=DCBA+DCBA=m4+m14Y4=DCBA+DCBA=m2+m15点阵图Y1=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m2+m3+m6+m7Y2=DCBA+DCBA+DCBA+DCBA=m6+m7+m10+m14Y3=DCBA+DCBA=m4+m14Y4=DCBA+DCBA=m2+m15DCBAm0m1m2m14m153、用存储器实现组合逻辑电路【例1】试用ROM设计一个八段字符显示的译码器。100011101111110111101110011110101101000110101100001111101011111110101010111101111001111111111000111000010111101111110110101101110101011001110100111100110011110110110010011000010001111111010000abcdefghDCBA显示输出输入电路图ENABC0十进制最小项被选中字线最小项编号位线SC00000101001110010111011101234567ABC0ABC0ABAC0AC0BC0BC0ABBC0AC0BAW0=1W1=1W2=1W3=1W4=1W5=1W6=1W7=1m0m1m2m3m4m5m6m70010100110010111表22.1.2全加器逻辑状态及三变量最小项编码【例2】试用ROM构成全加器电路。根据表22.1.2可得：74210000mmmmCBACBACBACBAS76530000mmmmCBACBACBACBACWOm0W1m1W2m2W3m3W4m4W5m5W6m6W7m7SCABC最小项译码器0CBA0CBA0CBA0CBA0CBA0CBA0CBA0CBA图ROM构成的全加器4、字符发生器字符：0、1点阵组成例如：字母E111111000010000111101000010000111117x5点阵7x5ROM计数器CK译码器图字符显示原理图(b)WOW1W2W3W4W5W6(a)000001010011100101110D4D3D2D1D0行译码器A2A1A0读出电路例：用ROM构成的字符发生器显示字母R。5.ROM构成的序列脉冲发生器采用计数器和RO